薄膜的性質(zhì)課件

第九章薄膜的性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)介電性質(zhì)半導(dǎo)體薄膜性質(zhì)其他性質(zhì)§9-1薄膜的力學(xué)性質(zhì)薄膜的力學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。薄膜的主要力學(xué)性能：

附著性質(zhì)—取決于薄膜成長的初始階段

內(nèi)應(yīng)力

機(jī)械性能取決于生長階段及其結(jié)構(gòu)類型一、附著性質(zhì)控制著對其他性能的觀察和研究。理論上，關(guān)系到對結(jié)合界面的了解；使用上，決定了薄膜元器件的穩(wěn)定性和可靠性。1、附著現(xiàn)象宏觀角度看，附著是指薄膜和基體表面相互作用將薄膜粘附在基體上的一種現(xiàn)象。是與薄膜在基體上存在的耐久性及耐磨性直接相關(guān)的重要概念。薄膜的附著性能直接與材料種類、附著的類型、附著力的性質(zhì)、工藝、測量方法有關(guān)。易氧化的金屬膜附著性比難氧化的金屬膜好得多。

①簡單附著薄膜和基片間形成一個很清楚的分界面，由兩個接觸面相互吸引而形成。其附著能=分開單位附著面所需做的功

Wfs=Ef+Es-Efs（Ef—薄膜的表面能，Es—基片的表面能，Efs—薄膜與基片之間的界面能）兩個相似或相容的表面接觸，Efs小，Wfs大，附著牢

兩個完全不相似或不相容的表面接觸，Efs大，Wfs小

影響因素：表面污染；表面粗糙不平薄膜與基片間的結(jié)合力—范德華力②擴(kuò)散附著由兩個固體間相互擴(kuò)散或溶解而導(dǎo)致在薄膜和基片間形成一個漸變界面。（膜基間無明顯界面）實現(xiàn)擴(kuò)散方法：基片加熱法、離子注入法、離子轟擊法、電場吸引法。

基片加熱法：高溫蒸發(fā)，后低溫

離子轟擊法：先在基片上淀積一層?。?0-30nm）金屬膜，再用高能（100KeV）氬離子對它進(jìn)行轟擊實現(xiàn)擴(kuò)散，再鍍膜

電場吸引法：在基片背面鍍上導(dǎo)體加電壓，促進(jìn)離子擴(kuò)散。濺射鍍膜比蒸發(fā)鍍膜附著牢，因為濺射粒子動能大，形成擴(kuò)散附著。③中間層附著在薄膜與基片之間形成一個化合物中間層而附著，膜基間無明顯界面。中間層組成：膜-基成分組成；膜、基與環(huán)境氣氛組成；兼而有之。通常含有氧化物和氮化物。隨制膜條件不同，其化合物組成也不同。中間層形成方法：反應(yīng)蒸發(fā)、反應(yīng)濺射、蒸發(fā)或濺射過渡層、基片表面摻雜等。雙電層產(chǎn)生的原因：由于膜基材料的功函數(shù)不同，它們相互接觸后，彼此間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，在界面累積符號相反的電荷。類似于一個充電的平板電容器。膜基間單位面積的靜電吸引能與其他結(jié)合力的比較：★

靜電吸引能的數(shù)值接近于范德華吸引能。前者為長程力，后者為短程力。★雙電層吸引受膜-基間距變化的影響小，在基片表面有吸附氣體，或進(jìn)行附著力測定時，膜-基間距略有變大時，因化學(xué)鍵力和范德華力迅速變小，雙電層力即成為主導(dǎo)作用力。3、附著機(jī)理附著的機(jī)理是吸附。分為物理吸附和化學(xué)吸附。（1）物理吸附

范德華力

靜電力吸引：即雙電層力范德華力作用能約為0.04~0.4eV，實現(xiàn)的附著較差，靜電力數(shù)值小，但對附著的貢獻(xiàn)較大。定向力：永久偶極矩間的相互作用（?。┱T導(dǎo)力：永久偶極矩的誘導(dǎo)作用形成的吸引力（最小，0.02eV）色散力：瞬時偶極矩間的吸引（最強）（2）化學(xué)吸附薄膜與基體間形成化學(xué)鍵結(jié)合（離子鍵、共價鍵、金屬鍵）力產(chǎn)生的一種吸附。是短程力，數(shù)值上比范德華力大，約為0.5~10eV。薄膜與基片間，化學(xué)鍵力不是普遍存在的，只有在它們的界面產(chǎn)生了化學(xué)鍵，形成了化合物，才具有這種鍵力。要使薄膜在基體上有牢固的附著性，必須在它們間產(chǎn)生化學(xué)鍵。原子與原子間的相互作用往往是物理的和化學(xué)的作用交織在一起，而不是單純的某一種作用，因此，薄膜對基片的附著常常不是單純的某一種附著力。劃痕法將硬度較高的劃針垂直置于薄膜表面，施加載荷對薄膜進(jìn)行劃傷試驗的方法來評價薄膜的附著力。當(dāng)劃針前沿的剪切力超過薄膜的附著力時，薄膜將發(fā)生破壞與剝落。在劃針移動的同時，逐漸加大所施加的載荷，并在顯微鏡下觀察得出劃開薄膜，露出襯底所需的臨界載荷，即可作為薄膜附著力的量度。當(dāng)載荷一定時，薄膜剝離痕跡的完整程度也依賴于薄膜的附著力，因而也可根據(jù)劃痕邊緣的完整程度來比較薄膜附著力的大小。拉張法（拉伸法）利用黏結(jié)或焊接的方法將薄膜結(jié)合與拉伸棒的端面上，測量將薄膜從襯底上拉伸下來所需的載荷的大小。薄膜的附著力等于拉伸時的臨界載荷與被拉伸的薄膜面積之比。在用黏結(jié)劑時，其黏結(jié)強度決定了這一方法可測定的附著力的上限。焊接可增加界面的結(jié)合強度，但焊接過程可能會由于加熱溫度的影響而改變界面的組織和附著力。其他方法膠帶剝離法：將具有一定粘著力的膠帶粘到薄膜表面，在剝離膠帶的同時，觀察薄膜從襯底上被剝離的難易程度。摩擦法：用布、皮革或橡膠等材料摩擦薄膜表面，以薄膜脫落時所需的摩擦次數(shù)和力的大小推斷薄膜附著力的強弱。超聲波法：用超聲波的方法造成周圍介質(zhì)發(fā)生強力的振動，從而在近距離對薄膜產(chǎn)生破壞效應(yīng)，根據(jù)薄膜發(fā)生剝落時的超聲波的能量水平推斷薄膜的附著力。離心力法：使薄膜與襯底一起進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用卜，使薄膜從襯底上脫開，用旋轉(zhuǎn)的離心力來表征薄膜的附著力。容易形成氧化物的薄膜其附著力則較大附著力中起主要作用的是范德華力大部分薄膜隨著厚度的增加附著力緩慢增加但玻璃基體上沉積的Cu膜，存放270天，在厚度較小的區(qū)域其附著力有減小的傾向?；瑺顟B(tài)的影響如果基片不經(jīng)過清潔處理，將在其表面上留有一個污染層，使基片表面的化學(xué)鍵達(dá)到飽和，故淀積上薄膜以后，膜的附著力很差。因此，在制造薄膜時，為了提高其附著性能，必須先對基片進(jìn)行清潔和活化處理（如離子轟擊）?；瑴囟忍岣呋瑴囟?，有利于薄膜和基片間的原子擴(kuò)散，并且還會加速其化學(xué)反應(yīng)，從面有利于形成擴(kuò)散附著和通過中間層的附著，所以附著力增大。但會使薄膜晶粒增大，增加熱應(yīng)力，故不能過分提高基片溫度。淀積方式對薄膜附著力的影響非常明顯。對于同樣的薄膜/基片組合，用濺射方法淀積的薄膜一般比用蒸發(fā)方法制造的薄膜附著牢。淀積速率

淀積速率增大，表示單位時間內(nèi)入射的原子數(shù)目增多，因而相對減少了成膜真空室中殘留的氧分子的入射幾率，結(jié)果在薄膜與基片界面上生成的氧化物中間層減少，導(dǎo)致薄膜附著力下降。高速淀積的薄膜結(jié)構(gòu)疏松，內(nèi)應(yīng)力較大，也導(dǎo)致附著性能變差。淀積氣氛對薄膜附著力的影響，主要發(fā)生在薄膜的成長初期。這時，在制膜的真空室內(nèi)若有一定量的殘留氧氣或水蒸氣，氧和水蒸氣將與入射的淀積原子相化合，生成氧化物中間層，從而增強薄膜的附著。若能增強氧和水蒸氣的化學(xué)活性，例如使其處于電離狀態(tài)，則更能增強薄膜的附著。

成膜以后，若氧從外部或從薄膜和基片內(nèi)部繼續(xù)向薄膜和基片間的界面擴(kuò)散，則該界面隨著時間的進(jìn)展，將繼續(xù)發(fā)生氧化，使附著逐漸變強，一直達(dá)到其強度飽和值。這種現(xiàn)象被稱為附著力的時間效應(yīng)。張應(yīng)力（+）：通過與基體表面垂直的斷面給對面施加的力使其處于拉伸狀態(tài)，此時內(nèi)應(yīng)力為張應(yīng)力。壓應(yīng)力（-）：與張應(yīng)力相反。熱應(yīng)力當(dāng)薄膜的形成溫度和測量或使用溫度不同時，由于薄膜和基片的熱脹系數(shù)不同而引起的內(nèi)應(yīng)力，是一種可逆的應(yīng)力。幾點討論：（1）從上式看出，要消除薄膜中的熱應(yīng)力，最根本的辦法就是選用熱脹系數(shù)相同的薄膜和基片材料。其次是讓成膜溫度與薄膜的測量或使用溫度相同。（2）通常情況，Td>T,若薄膜的彈性常數(shù)與溫度無關(guān)，薄膜和基片的熱脹系數(shù)不隨溫度發(fā)生變化、為常數(shù)時，薄膜的熱應(yīng)力隨溫度作線性變化。薄膜熱應(yīng)力的表達(dá)式為（3）時，熱應(yīng)力為正，即是為張應(yīng)力。反之，熱應(yīng)力為負(fù)，即為壓應(yīng)力。因此，可通過選擇基片或者改變成膜溫度的辦法來改變薄膜中熱應(yīng)力的性質(zhì)和大小。（4）對于高熔點的金屬薄膜及其他薄膜，隨著成膜溫度的提高，熱應(yīng)力可能成為它內(nèi)應(yīng)力中的一個主要部分。對于低熔點金屬和結(jié)構(gòu)高度有序的薄膜，因為它們的本征應(yīng)力很小，所以熱應(yīng)力能成為它們內(nèi)應(yīng)力中的絕大部分。在失配位錯層中，雖然其應(yīng)變小些，結(jié)構(gòu)較為松弛，但仍有較大的內(nèi)應(yīng)力。若在界面有相當(dāng)高缺陷密度和雜質(zhì)密度時，也會引起嚴(yán)重的界面失配，從而導(dǎo)致較大的界面應(yīng)力。生長應(yīng)力：來源于薄膜在生長過程中所形成的各種結(jié)構(gòu)缺陷。

克羅克霍姆模型能較簡單地說明薄膜的生長應(yīng)力。該模型假設(shè)，在薄膜生長過程中，由于其表面迅速前進(jìn)，許多無序結(jié)構(gòu)層被埋在下而。被埋各無序?qū)拥闹饾u退火和收縮，引起生長應(yīng)力。（3）內(nèi)應(yīng)力對薄膜的影響使用與基片性質(zhì)不同的材料，在基片上淀積成膜以后，薄膜常處于應(yīng)變狀態(tài)。在張應(yīng)力作用下，薄膜自身有收縮的趨勢。若超過薄膜的強度限度，薄膜就會開裂。在壓應(yīng)力作用下，薄膜內(nèi)部有向表面擴(kuò)散的趨勢。在嚴(yán)重情況下，壓應(yīng)力就使薄膜起皺和脫落。（4）產(chǎn)生原因熱收縮效應(yīng)在薄膜形成過程中，沉積到基體上的蒸發(fā)氣相原子具有較高的動能，從蒸發(fā)源產(chǎn)生的熱輻射等使薄膜溫度上升。當(dāng)沉積過程結(jié)束，薄膜冷卻到周圍環(huán)境溫度過程中，原子逐漸地變成不能移動狀態(tài)。薄膜內(nèi)部的原子是否還移動的臨界標(biāo)準(zhǔn)是再結(jié)晶溫度。在再結(jié)晶溫度以下的熱收縮就是產(chǎn)生應(yīng)力的原因。相轉(zhuǎn)移效應(yīng)在薄膜形成過程中發(fā)生的相轉(zhuǎn)移是從氣相到固相的轉(zhuǎn)移，在相轉(zhuǎn)移時一般都發(fā)生體積的變化，形成內(nèi)應(yīng)力。如Ga膜在從液相到固相轉(zhuǎn)移時體積發(fā)生膨脹，形成的內(nèi)應(yīng)力是壓應(yīng)力?？瘴坏南∧ぶ薪?jīng)常含有晶格缺陷。其中的空位和空隙等缺陷經(jīng)過熱退火處理，原子在表面擴(kuò)散時消滅這些缺陷，可使體積發(fā)生收縮，從而形成張應(yīng)力。表面張力(表面能)和表面層固體的表面張力(表面能)大約是102—103達(dá)因/厘米2，內(nèi)應(yīng)力中的一部分可歸結(jié)為這種表面張力。但是當(dāng)全應(yīng)力為104達(dá)因/厘米時，其內(nèi)應(yīng)力就不能作為表面張力考慮。表面張力和晶粒間界弛豫在薄膜形成初期，不連續(xù)結(jié)構(gòu)的薄膜都是由孤立小島或晶粒構(gòu)成的。這些晶粒受基體附著力的作用不能隨意移動，而表面張力是壓縮性的、它要向外擴(kuò)展，于是顯示一種壓縮應(yīng)力狀態(tài)。隨著晶粒的成長，晶粒間隔逐漸減小，晶粒表面的原子與另一個晶粒表面的原子相互間受到引力作用，兩個晶粒的兩個表面結(jié)合起來形成了一個晶粒間界，在晶粒結(jié)合時因表面能作用形成的壓縮狀態(tài)得到馳豫。晶粒再進(jìn)一步長大便產(chǎn)生張應(yīng)力。界面失配膜-基間晶格結(jié)構(gòu)有較大差異時，若兩者之間相互作用較強，薄膜的晶格結(jié)構(gòu)則變得接近基體的晶格結(jié)構(gòu)。于是薄膜內(nèi)部產(chǎn)生大的畸變而形成內(nèi)應(yīng)力。雜質(zhì)效應(yīng)在成膜過程中，殘留氣體作為雜質(zhì)進(jìn)入薄膜，以及成膜以后表面發(fā)生氧化；此外，還有基片原子向薄膜中的擴(kuò)散。這些雜質(zhì)進(jìn)入薄膜以后，都使薄膜產(chǎn)生壓應(yīng)力。原子、離子埋入效應(yīng)當(dāng)用陰極濺射法制備薄膜時，往往在薄膜中產(chǎn)生壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力一般是濺射薄膜中固有的應(yīng)力。在陰極濺射過程中入射到薄膜上的濺射原子能量較高，可能形成空位或填隙原子等缺陷使薄膜體積增大；此外，加速離子或中性原子作為雜質(zhì)被薄膜捕獲之外，薄膜表面原子也向內(nèi)部移動埋入導(dǎo)致薄膜體積增大，在薄膜中形成了壓應(yīng)力。2、內(nèi)應(yīng)力的測量兩類：測量晶格畸變采用X射線衍射法測量基體變形采用圓形基體或短條形基體。圓形基體—測量球面曲率再計算出應(yīng)力。方法有牛頓環(huán)法、光截面顯微鏡法和觸針法。短條形基體—將基體一端因薄膜內(nèi)應(yīng)力作用產(chǎn)生的變位作為測量對象，其測量方法有直視法、光杠桿法、單縫衍射法、干涉計法、電微天平法和電容量法等。Au膜的全應(yīng)力比Ag膜大得多.在厚度較大的Ag薄膜中，真空度越好全應(yīng)力顯得越大一些.張應(yīng)力和壓應(yīng)力都可能存在大部分薄膜的內(nèi)應(yīng)力都是壓應(yīng)力金屬膜時，熔點越高則張應(yīng)力越大。在非金屬膜時，熔點越高其壓應(yīng)力則越大。3、影響內(nèi)應(yīng)力的因素主要有基片情況、淀積過程和薄膜本身基片情況包括基片材料、基片表面狀態(tài)和基片溫度?；牧系臒崦浵禂?shù)對薄膜的熱應(yīng)力影響很大，所以要選用合適的基片材料，并且盡可能使薄膜略處于壓應(yīng)力狀態(tài)?；谋砻鏍顟B(tài)在相當(dāng)大的程度上，決定著薄膜的界面應(yīng)力。為了減小界面應(yīng)力，基片表面的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)必須與薄膜的相匹配；表面上應(yīng)不含雜質(zhì)?；瑴囟葘Ρ∧?nèi)應(yīng)力的影響很大。原因在于為溫度直接影響到吸附原子在基片表面的遷移能力，從而影響薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、晶粒尺寸、晶面取向以及各種缺陷的數(shù)量和分布。淀積過程包括淀積方式、熱源溫度、淀積速率、入射角和環(huán)境氣氛。薄膜內(nèi)應(yīng)力隨淀積方式發(fā)生變化，是由于淀積方式不同時，薄膜的結(jié)構(gòu)、缺陷和含雜量等會有顯著的差別。淀積速率對內(nèi)應(yīng)力的影響沒有肯定的規(guī)律。一般情況是淀積速率越大，晶粒平均尺寸就越小，因而內(nèi)應(yīng)力將增大;再者，淀積速率越大薄膜中的缺陷就越多，內(nèi)應(yīng)力也會增大。當(dāng)入射角較大時，迅速形成結(jié)構(gòu)粗糙的薄膜，對內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響。真空中SiO2薄膜(玻璃基片)內(nèi)應(yīng)力與蒸氣束入射角的關(guān)系在淀積薄膜時，環(huán)境氣氛對內(nèi)應(yīng)力的影響很大，而且比較復(fù)雜。環(huán)境氣氛可以直接進(jìn)入結(jié)構(gòu)不夠緊密的薄膜中，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力，如在水蒸汽或氧分壓較高的真空室中淀積的一氧化硅膜、銅膜。進(jìn)入薄膜中的殘留氣體也可能再飛離薄膜，而留下空位和空位團(tuán)，從而引起張應(yīng)力。氣氛的壓力也與內(nèi)應(yīng)力有十分密切的關(guān)系。薄膜本身包括薄膜原材料、薄膜厚度和薄膜熱史。內(nèi)應(yīng)力與原材料的關(guān)系，以金屬材料的研究較多。

薄膜內(nèi)應(yīng)力與薄膜厚度的關(guān)系基本上有三種類型。一是隨稱膜厚度的增大，平均應(yīng)力先是迅速增大到最大值，然后又逐漸下降到趨于恒定值，

二是平均應(yīng)力經(jīng)過最大值后，迅速下降到趨于零。三是經(jīng)最大值后，下降到性質(zhì)相反的應(yīng)力(如從張應(yīng)力變到壓應(yīng)力，或者相反)。薄膜的內(nèi)應(yīng)力與它的熱史、甚至與它在空氣中暴露的時間有密切的關(guān)系。各種較易氧化的金屬薄膜暴露在空氣中，會因表面氧化而使應(yīng)力從張應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，而且其數(shù)值隨氧化層的厚度增大而變大。金屬膜在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用很廣，包括半導(dǎo)體器件的電極、各種集成電路的導(dǎo)線和電極、電阻器、電容器、超導(dǎo)器件、敏感元件等。金屬膜電導(dǎo)不同于塊材，它的大小和性質(zhì)取決于薄膜的結(jié)構(gòu)和厚度，很大程度上即取決于成膜工藝?！?-2金屬薄膜的電學(xué)性質(zhì)同種材料，膜材電阻率大于塊材，引起電阻的物理根源也多于塊材。一、塊狀金屬材料的導(dǎo)電性質(zhì)宏觀理論基本物理量：電阻R、電阻率ρ、電導(dǎo)σ、電阻溫度系數(shù)α電阻率只與金屬材料本性有關(guān)，與導(dǎo)體的幾何尺寸無關(guān)，與溫度有關(guān)。微觀理論量子力學(xué)對金屬導(dǎo)電問題的看法：在金屬晶體中，原子失去價電子成為正離子。正離子構(gòu)成晶體點陣，價電子則成為公有化的自由電子。金屬中正離子形成的電場是均勻的。對于電子的運動不可能同時測準(zhǔn)其位置和動量，只能用電子出現(xiàn)的幾率來描述電子的位置。根據(jù)波粒二象性原理，對電子的運動既可用質(zhì)量、速度和動能來描述，又可用波長、頻率等參數(shù)描述。自由電子的能量必須符合量子化的不連續(xù)性。由此得金屬電阻率m是電子質(zhì)量，e是電子電荷，n是參與導(dǎo)電的有效電子濃度，τ是電子波受相鄰兩次散射的間隔時間，也常用散射幾率P=1/τ(單位時間的散射次數(shù))來表示電子波的散射。電阻率與金屬晶體中散射的關(guān)系主要的散射機(jī)構(gòu)：晶格散射(聲子散射)、電離雜質(zhì)散射、中性雜質(zhì)散射、位錯散射、載流子散射和晶粒間界散射。其中只有聲子散射與溫度有關(guān)，其對電阻率的貢獻(xiàn)高溫時

低溫時電阻率當(dāng)溫度趨于0K時，ρT也趨于零，電阻率趨于剩余電阻率ρi。二、連續(xù)金屬膜的導(dǎo)電性質(zhì)1、性質(zhì)特點(a)薄膜電阻率與薄膜厚度有密切關(guān)系，隨膜厚的增大電阻率逐漸減小并趨于穩(wěn)定值。(b)薄膜電阻率始終大于塊金屬箔電阻率。(c)薄膜電阻率的溫度系數(shù)與膜厚有關(guān)。(d)薄膜電阻率受時間或溫度影響發(fā)生不可逆變化。(e)薄膜電阻率與晶粒尺寸有關(guān)。(f)其它還有薄膜霍耳系數(shù)與膜厚有關(guān)；薄膜熱電勢與膜厚有關(guān)；薄膜的磁阻與磁場有關(guān)等。2、連續(xù)金屬膜的形狀效應(yīng)與厚度有關(guān)的現(xiàn)象，即薄膜的上下表面對導(dǎo)電電子平均自由程的幾何限制。由于薄膜表面狀態(tài)不同，導(dǎo)電電子與它相碰撞時可能產(chǎn)生兩種反射：彈性反射和非彈性反射。若彈性反射(或稱鏡面反射)電子數(shù)與總的反射電子數(shù)之比稱為鏡面反射系數(shù)（P），非彈性反射電子數(shù)與總的反射電子數(shù)之比為（1-P）。波爾茲曼輸運方程（參考《薄膜物理》曲喜新）經(jīng)過推導(dǎo)，得到電場方向的電流密度分布（也是厚度的函數(shù)）連續(xù)金屬膜電阻率若考慮彈性散射，即P不為0，則結(jié)論：薄膜電阻率大于塊金屬電阻率；薄膜電阻率與膜厚有關(guān)系。若令則得：表明：薄膜的電阻率可認(rèn)為是塊狀材料的電阻率，加上由表面引起的與厚度有關(guān)的電阻率。ρs1，ρs2為第七種散射機(jī)構(gòu)，即薄膜表面散射對電阻率的貢獻(xiàn)。因此，連續(xù)金屬薄膜電阻率為3、連續(xù)金屬膜電阻率與溫度的關(guān)系物理參數(shù)：電阻率的溫度系數(shù)αF對厚度較大的薄膜表面散射使薄膜的電阻率大于塊材，而電阻率溫度系數(shù)小于塊材。另一種形式當(dāng)薄膜厚度一定時，ρB/ρF為恒定值，αF與αB成正比關(guān)系。利用這種關(guān)系選擇塊金屬電阻率溫度系數(shù)較大的材料，可制作薄膜電阻率溫度系數(shù)較大的熱敏元件。三、不連續(xù)金屬膜的導(dǎo)電性質(zhì)（島狀膜）一般指厚度為幾十埃完全由孤立小島形成的薄膜。1、性質(zhì)特點①電阻率非常大。②電阻率溫度系數(shù)為負(fù)值;③在低電場時呈現(xiàn)歐姆性質(zhì)導(dǎo)電，在高電場時呈現(xiàn)非歐姆性質(zhì)導(dǎo)電;④導(dǎo)電電子激活能較大，隨膜厚的減小激活能上升;⑤電阻應(yīng)變系數(shù)較大;⑥薄膜沉積后的經(jīng)時變化大;⑦因吸附各種氣體，電阻率隨溫度有可逆和不可逆變化;⑧在高電場下有電子發(fā)射和光發(fā)射現(xiàn)象。⑨電流噪音較大，大多數(shù)呈現(xiàn)1/f特性。2、導(dǎo)電機(jī)理熱電子發(fā)射理論和激活隧道效應(yīng)理論。（1）熱電子發(fā)射理論該理論的核心是溫度上升時，金屬中電子的動能增加。當(dāng)電子垂直金屬表面的速度分量增大到使該動能分量大于金屬的逸出功時，電子逸出金屬表面發(fā)射到真空中。施加外電場，則可使熱發(fā)射電子定向流動。熱發(fā)射電子的電流密度電阻率優(yōu)點：能說明這種薄膜的電導(dǎo)溫度系數(shù)為正，電阻溫度系數(shù)為負(fù)。這時Φ應(yīng)為金屬小島之間的位壘。缺陷：在這個理論中，未引入外加電場的影響;未計入位壘Φ與小島尺寸及島間距離的關(guān)系；算出的電流密度還遠(yuǎn)小于實際值(相差幾個數(shù)量級)，而位壘高度卻又比實驗值大一到二個數(shù)量級。只能近似的應(yīng)用于高溫、低位壘和大距離島間距的情況。熱電子發(fā)射理論的發(fā)展——肖特基發(fā)射理論該理論的實質(zhì)是在電子逸出金屬小島表面、需要克服的位壘中，引入鏡象力和外加電場的影響，從而使位壘降低，得到更大的電流密度。修正后的電阻率優(yōu)點：與島狀薄膜的試驗結(jié)果相符，能說明不連續(xù)金屬膜電阻率與溫度和電場的關(guān)系。缺陷：沒有給出島狀薄膜電導(dǎo)對小島尺寸及島間距離的依從關(guān)系。（2）激活隧道效應(yīng)理論本質(zhì)是把載流子的熱活化產(chǎn)生機(jī)理與隧道效應(yīng)相互結(jié)合起來。該理論認(rèn)為由于熱活化的結(jié)果，電子從一個中性小島移至另一個中性小島，因而使原來中性的一些小島帶有電荷。在載電小島與中性小島間的電子傳輸則是一個隧道過程。因為在這個過程中，系統(tǒng)的能量沒有增加。與熱電子發(fā)射相比，隧道過程對島間距離的變化更敏感。電阻率的表達(dá)式為活化隧道理論與肖特基發(fā)射理論類似，也可以說明島狀薄膜電導(dǎo)率與溫度和外加場強的關(guān)系。與肖特基理論不同處：該理論還能比較正確地說明電導(dǎo)率與小島尺寸和島間距離的關(guān)系。當(dāng)小島的線度a減小以后，載流子密度增大，因而電導(dǎo)率增大。除此以外，在島間距離d增大時，式中的指數(shù)因子比指數(shù)前的系數(shù)因子影響更大，島狀薄膜的電導(dǎo)率應(yīng)該減小，因而更符合實際情況。缺陷：主要缺點是把活化能和隧道位壘看作是互不相關(guān)的、各在不同階段起作用的。而實際上，活化能應(yīng)該是隧道位壘的一部分，應(yīng)該包括在費米函數(shù)中。另一個缺點是認(rèn)為電子來自中性小島，因而不能解釋觀察到的大電流。除此以外，這個理論也沒有考慮到載電小島的電子補給源，因而電子必須繼續(xù)熱生。該理論也沒有說明，為什么不能在中性小島間，由隧道過程產(chǎn)生載流子?四、網(wǎng)狀薄膜的電導(dǎo)包括接觸膜和絲狀膜。網(wǎng)狀薄膜的電導(dǎo)是由金屬小島、金屬接觸點或者金屬細(xì)絲、以及島間空隙的電導(dǎo)所構(gòu)成。薄膜的電導(dǎo)對觸點和細(xì)絲處的物理和化學(xué)變化，非常敏感。這類變化可以由多種原因引起，例如吸附、退火和老化。

接觸膜的電導(dǎo)，顯然受到接觸點的極大限制。由于島間相互接觸處的面積很小，因而兩個小島的接觸電阻遠(yuǎn)大于這兩個小島本身的電阻，所以在計算接觸膜的電阻時，可以略去金屬小島的電阻。由于島間空隙或島間介質(zhì)的電阻遠(yuǎn)大于接觸電阻，故相對來說，可以認(rèn)為它們是無限大的。對于絲狀薄膜，由于細(xì)絲的直徑遠(yuǎn)小于塊材中電于的平均自由程，所以除了電于在薄膜的兩個平行面上的散射以外，還受到細(xì)絲的整個周界的嚴(yán)重散射。因此，絲狀薄膜的電阻率遠(yuǎn)大于連續(xù)薄膜。介質(zhì)膜用途：

介質(zhì)用于各種微型容器和各種敏感電容元件

絕緣層用于各種集成電路和各種金屬一氧化物一半導(dǎo)體器件

導(dǎo)體用于各種隧道二極管、有超導(dǎo)隧道器件、金屬陶瓷電阻器、熱敏電阻器、開關(guān)器件

介質(zhì)薄膜的介電性能雖然與塊狀介質(zhì)有很大的相似，但是，在某些方面卻有著顯著的不同。如：塊狀介質(zhì)的電導(dǎo)率較小。§9-3介質(zhì)薄膜的電學(xué)性質(zhì)一、介質(zhì)薄膜的絕緣性質(zhì)考慮電導(dǎo)和擊穿。1、介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)由于夾層結(jié)構(gòu)（MIM結(jié)構(gòu)），只有在電極與介質(zhì)的接觸是歐姆接觸時，所測出的電導(dǎo)才是介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)。分類：按載流子性質(zhì)按載流子來源離子型電導(dǎo)電子型電導(dǎo)本征電導(dǎo)非本征電導(dǎo)來源于介質(zhì)薄膜本身來源于雜質(zhì)及缺陷離子電導(dǎo)與電子電導(dǎo)的區(qū)分：

(1)符合下列公式的為離子電導(dǎo)式中，σ是電導(dǎo)率，D是擴(kuò)散常數(shù)，Z是離子價數(shù)，e是電子電荷，N是電荷為Ze的離子濃度。(2)加果活化能大于0.6eV，遷移率很小時，可能是離子電導(dǎo)，也可能是電子電導(dǎo)。當(dāng)活化能小于0.1eV，遷移率很大時，則是電子電導(dǎo)。(Nernst-Einstein關(guān)系)介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)來源強電場作用下，介質(zhì)薄膜中的電導(dǎo)包括有電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)。

電子電導(dǎo)主要來源于導(dǎo)帶中的電子，其中包括導(dǎo)帶中傳導(dǎo)電子、隧道效應(yīng)引起的電導(dǎo)、雜質(zhì)能級電子電導(dǎo)以及介質(zhì)薄膜與金屬電極界面處的空間電荷。離子電導(dǎo)有外來的雜質(zhì)離子和偏離化學(xué)計量比造成的離子缺陷，弱電場作用下，其電導(dǎo)主要來源于雜質(zhì)能級電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)。因為這時介質(zhì)薄膜導(dǎo)帶中幾乎沒有自由電子，雜質(zhì)能級電子電導(dǎo)就占主要地位。介質(zhì)薄膜電導(dǎo)與場強的關(guān)系弱電場（<105V/cm）時，電導(dǎo)符合歐姆定律。電流密度為強電場（>106V/cm）時，非歐姆性，缺陷離子等在外電場作用下獲得較高能量，以致產(chǎn)生雪崩式碰撞電離而感生出電子電流。電流密度為與溫度的關(guān)系在一般電場條件下，介質(zhì)薄膜的電導(dǎo)率，隨溫度升高而增加。表明在不同溫度范圍內(nèi)有不同的激活能。在高溫下同種材料的曲線斜率相等，其電導(dǎo)稱為本征電導(dǎo)。在中、低溫情況下，不同溫度范圍的激活能不相等。它反映出不同的導(dǎo)電機(jī)理。這種電導(dǎo)稱為非本征電導(dǎo).2、介質(zhì)薄膜的擊穿當(dāng)施加到介質(zhì)薄膜上的電場強度達(dá)到某一數(shù)值時。它便立刻失去絕緣性能，這種現(xiàn)象稱為擊穿。介質(zhì)薄膜在發(fā)生擊穿時絕緣電阻很小。分類：軟擊穿：介質(zhì)膜在擊穿時并不被燒毀而是長期穩(wěn)定地維持低阻狀態(tài)。硬擊穿：介質(zhì)薄膜擊穿后，如果電場仍持續(xù)地加在介質(zhì)膜上則有較大的電流通過將它燒毀。本征擊穿：外電場超過介質(zhì)薄膜本身抗電強度而產(chǎn)生的擊穿非本征擊穿：因薄膜缺陷引起的擊穿對于同一種介質(zhì)薄膜，因制造方法不同其擊穿場強有較大差異。原因是不同制造方法在介質(zhì)薄膜產(chǎn)生的針孔、微裂紋、纖維絲和雜質(zhì)等缺陷情況不同。本征擊穿機(jī)理電擊穿和熱擊穿共同作用下產(chǎn)生的擊穿。電擊穿是介質(zhì)薄膜中載流子(大部分為電子)在某臨界電場作用下產(chǎn)生電子倍增過程使介質(zhì)膜絕緣性急劇下降而形成的擊穿。理論研究認(rèn)為電擊穿是電子與原子碰撞、電子和離子碰撞，特別是晶格的碰撞電離形成的電子雪崩擊穿，一般都在極短的時間里發(fā)生。電子從電場中得到的能量主要用于碰撞電離過程。當(dāng)電極較厚時發(fā)生的電擊穿類似于氣體擊穿，其擊穿場強為若碰撞電離的起始電子來源于陰極場致發(fā)射，其擊穿場強為熱擊穿在電擊穿時電流雪崩式增加，產(chǎn)生大量焦耳熱，介質(zhì)膜溫度迅速上升就轉(zhuǎn)為熱擊穿；介質(zhì)膜電導(dǎo)隨溫度上升呈指數(shù)規(guī)律急劇增大，隨后電流又增大，焦耳熱增大，介質(zhì)膜溫度進(jìn)一步增高。在很短時間內(nèi)由于介質(zhì)膜溫度過高，造成局部地方產(chǎn)生熱分解、揮發(fā)或熔化，則進(jìn)一步促成熱擊穿的產(chǎn)生。熱擊穿時電場強度為二、介質(zhì)薄膜的介電性質(zhì)主要考慮介電常數(shù)和介質(zhì)損耗1、介電常數(shù)非極性性介質(zhì)薄膜（2~45），如有機(jī)聚合物、無機(jī)氧化物薄膜極性介質(zhì)薄膜（3~3000或更大），如有機(jī)聚合物薄膜、無機(jī)鐵電薄膜介電常數(shù)本征來源于薄膜本身原子的電子狀態(tài)、固有偶極矩及晶格結(jié)構(gòu)等。非本征來源于薄膜的不均勻性、雜質(zhì)、空位、填隙離子、應(yīng)力、晶界層上的偏析物、氧化物等。介電常數(shù)的本征部分決定于薄膜內(nèi)部的各種極化機(jī)構(gòu)。其中起主要作用的有電子極化、離子晶格振動極化和離子變形極化。此外，還有緩慢式極化，如偶極式極化、熱離子極化和電子弛豫極化等。由干極化的強弱與介質(zhì)薄膜中總電荷數(shù)的多少及電荷間相互作用強弱有關(guān)，所以介質(zhì)薄膜介電常數(shù)與原子序數(shù)有關(guān)。介質(zhì)常數(shù)的溫度系數(shù)介電常數(shù)溫度系數(shù)的測量：在介質(zhì)薄膜上制備歐姆接觸電極，構(gòu)成片狀電容器。在測量電容器溫度系數(shù)之后再推求介電常數(shù)的溫度系數(shù)。電容器溫度系數(shù)為溫度變化時其平面方向可膨脹或收縮，介質(zhì)薄膜在厚度方向上也發(fā)生膨脹或收縮。則有若電極是沉積在介質(zhì)薄膜上，電極和薄膜一起膨脹或收縮。當(dāng)薄膜的熱膨脹為各向同性時，則有只要測出αd便可求得介電常數(shù)溫度系數(shù)αc。對于介質(zhì)損耗較小的介質(zhì)薄膜，由本征極化形成的電容器溫度系數(shù)，按介電常數(shù)的大小不同可分為四種情況:真空或空氣薄膜，各種非極性固體有機(jī)薄膜介質(zhì)薄膜材料的離子式極化貢獻(xiàn)和電子式極化相近，但離子式極化對溫度變化比較敏感。介質(zhì)薄膜的極化大多數(shù)是離子變形極化。2、介質(zhì)薄膜的損耗對介質(zhì)薄膜膜施加交變電場后，由于電導(dǎo)和極化方面原因，必然產(chǎn)生能量損耗。這種損耗值的大小與介質(zhì)薄膜本身的晶體結(jié)構(gòu)和各種缺陷有密切關(guān)系。所以介質(zhì)薄膜的損耗就是表征介質(zhì)薄膜質(zhì)量和性能的重要參數(shù)，并用損耗角δ的正切值tgδ表示。由三部分組成：電導(dǎo)損耗馳豫型損耗非弛豫型損耗電導(dǎo)損耗在直流或交流電場作用下都始終存在。直流電導(dǎo)損耗在低頻下比較顯著，它不隨頻率變化，交流電導(dǎo)包括有一般載流子電導(dǎo)，小極化子和偶極子等弛豫子在位置時間的運動。馳豫損耗它與交變電場的頻率有密切關(guān)系。高頻弛豫損耗時峰值頻率在1MHz以上。低叔弛豫損耗的峰值頻率在100Hz以下。非馳豫型損耗對于絕大多數(shù)介質(zhì)薄膜在室溫下都能觀察到非弛豫型損耗。而且在較低電場下完全為歐姆性導(dǎo)電時也可觀察到這種損耗。這種損耗的特征是tgδ幾乎與頻率無關(guān)。它是介質(zhì)薄膜內(nèi)部不均勻性造成的，就是介質(zhì)薄膜中的各種微觀缺陷和雜質(zhì)的不均勻性導(dǎo)致電子、離子和原子等所處的微觀環(huán)境不同造成的。三、介質(zhì)薄膜的壓電性質(zhì)正壓電效應(yīng)：應(yīng)力作用—→極化電荷壓電效應(yīng)負(fù)壓電效應(yīng)：電場作用—→應(yīng)變介質(zhì)薄膜：CdS、ZnS、AlN、ZnO、LiNbO3、PZT等1、壓電薄膜的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上有分別帶正電荷和負(fù)電荷的離子或離子團(tuán)（離子晶體